%-------------------------------------------------------------------- \chapter{Teoria delle superfici} \setlength{\parindent}{2pt} \begin{multicols*}{2} Qualora non specificato, assumeremo l'utilizzo di funzioni di classe $C^\infty$. \smallskip Se $\vec{x}$ è una parametrizzazione regolare o una funzione con dominio un sottinsieme di $\RR^2$, ammettiamo l'abuso di notazione $\vec{x}(P)$ per sottintendere $\vec{x}(\vec{y}\inv(P))$, dove $\vec{y}$ è una parametrizzazione regolare di $P$ sulla superficie studiata. \section{Definizioni preliminari} \subsection{Parametrizzazioni regolare} \begin{definition}[Parametrizzazione regolare] Si dice \textbf{parametrizzazione regolare} una mappa $\vec{x} : U \to \RR^3$ con $U$ aperto di $\RR^3$ tale che: \begin{itemize} \item $\vec{x}$ è iniettiva; \item $\vec{x_u} \times \vec{x_v} \neq 0$ per ogni $(u, v) \in U$ (\textbf{regolarità}); \item $\vec{x\inv}$ è continua. \end{itemize} \end{definition} \begin{remark} Osserviamo che $J \vec{x} = [\vec{x_u} \;\; \vec{x_v}]$. Allora richiedere la regolarità è equivalente a richiedere che $\rk(J \vec{x})$ sia sempre massimo, ovvero: \[ \rk(J \vec{x}) = 2. \] \end{remark} \begin{proposition} \label{prop:parametrizzazione_è_cinf} Ogni parametrizzazione regolare è un diffeomorfismo $C^\infty$. \end{proposition} \begin{proof} Sia $\vec{x} : U \to \Sigma$ una parametrizzazione regolare surgettiva su $\Sigma$. Sia $(u_0, v_0) \in U$. Dal momento che $\vec{x}$ è regolare, esiste un minore $2 \times 2$ in $J \vec{x}(u_0, v_0)$ invertibile. Sia $\pi$ la proiezione da $\RR^3$ sul piano $\Span(e_i, e_j) \cong \RR^2$, dove $i$ e $j$ sono gli indici delle righe del minore rispetto a $J \vec{x}(u_0, v_0)$. \smallskip Allora $J (\pi \circ \vec{x})(u_0, v_0)$ è invertibile, e per il Teorema di invertibilità locale, $\pi \circ \vec{x}$ è localmente invertibile. Dacché $\vec{x}\inv$ è localmente uguale a $(\pi \circ \vec{x})\inv \circ \pi\inv$, che è composizione di funzioni $C^\infty$, si ricava che $\vec{x}$ è un diffeomorfismo $C^\infty$ locale. Dal momento che $\vec{x}$ è però iniettiva, si ricava che è anche un diffeomorfismo $C^\infty$. \end{proof} \subsection{Superficie} \begin{definition}[Superficie] Una \textbf{superficie} è un sottinsieme $\Sigma$ di $\RR^3$ tale per cui ogni punto $P$ di $\Sigma$ ammette una parametrizzazione regolare $\vec{x_P}$ la cui immagine sia contenuta in $\Sigma$ e che sia intorno di $P$ in $\Sigma$. Ci riferiremo a $\vec{x_P}$ come a una \textbf{parametrizzazione regolare per $P$}. \end{definition} \begin{remark} Chiaramente, se $\vec{x} : U \to \RR^3$ è una parametrizzazione regolare, allora $\vec{x}(U)$ è una superficie. \end{remark} \begin{proposition} $\Sigma$ è una superficie se e solo se ogni suo punto ammette una parametrizzazione regolare della forma $\vec{x} : B_\eps(0) \subseteq \RR^2 \to \Sigma$. \end{proposition} \begin{proof} Siccome ogni parametrizzazione regolare $\vec{x} : U \to \Sigma$ ha come dominio è un aperto, possiamo restringerci a una palla di raggio $\eps$ di $\vec{x}\inv(P)$. Tramite traslazione possiamo infine riportare $\vec{x}\inv(P)$ al centro, ottenendo una parametrizzazione del tipo desiderato. \end{proof} \begin{proposition} Se $\Sigma$ è una superficie, una funzione $f : \Sigma \to \RR^n$ è continua se e solo se $f \circ \vec{x}$ è una funzione continua per ogni parametrizzazione regolare $\vec{x}$ di un punto di $\Sigma$. \end{proposition} \begin{proof} Deriva dal fatto che una funzione è continua se e solo se è localmente continua. \end{proof} \section{Classi fondamentali di superfici} \subsection{Superfici di rotazione} \begin{definition}[Superficie di rotazione] Sia $\alpha : I \to \RR^3$ una curva parametrizzata della forma $(a(t), 0, b(t))$ tale che $\alpha$ è regolare e omeomorfismo locale. Si definisce allora la \textbf{superficie di rotazione} (intorno all'asse $z$) di $\alpha$ come l'immagine della seguente parametrizzazione canonica: \[ \vec{x}(u, v) = (a(u) \cos(v), a(u) \sin(v), b(u)). \] \end{definition} \begin{definition}[Paralleli e meridiani] Sia $\Sigma$ una superficie di rotazione con parametrizzazione canonica $\vec{x}$. Allora l'immagine della curva $\alpha_{u_0}(t) = \vec{x}(u_0, t)$ è detta \textbf{parallelo}, mentre quella della curva $\gamma_{v_0}(t) = \vec{x}(t, v_0)$ è detta \textbf{meridiano}. \smallskip I paralleli sono dunque le intersezioni della superficie con i piani della forma $\{z = k\}$, mentre i meridiani lo sono rispetto ai piani della forma $\{ ax + by = 0 \}$. \end{definition} \begin{proposition} Una superficie di rotazione è effettivamente una superficie, poiché la sua parametrizzazione canonica è regolare. \end{proposition} \subsection{Grafici, valori regolari e superfici di livello} \begin{proposition}[Il grafico di una funzione $C^\infty$ a valori reali con dominio $U \subseteq \RR^2$ è una superficie] \label{prop:grafici_sono_superfici} Il grafico $\Gamma_f$ di una funzione $f : U \to \RR$ con $U \subseteq \RR^2$ è parametrizzato come $\vec{x}(u, v) = (u, v, f(u, v))$, ed è dunque una superficie. \end{proposition} \begin{definition} Sia $f : A \to \RR$ con $A \subseteq \RR^3$ una funzione liscia. Allora si dice che $a \in f(A)$ è un \textbf{valore regolare} per $f$ se: \[ \nabla f(p) \neq 0, \quad \forall p \in f\inv(a). \] \end{definition} \begin{proposition} Sia $f : A \to \RR$ con $A \subseteq \RR^3$ una funzione liscia. Allora, se $a$ è un valore regolare per $f$, $f\inv(a)$ è una superficie ed è detta \textbf{superficie di livello $a$ rispetto a $f$}. \end{proposition} \begin{proof} La tesi discende direttamente come applicazione del Teorema della funzione implicita. Infatti, se $a$ è un valore regolare, $f\inv(a)$ è localmente un grafico su ogni suo punto. Allora, per la Proposizione \ref{prop:grafici_sono_superfici}, $f\inv(a)$ è una superficie. \end{proof} \section{Piano tangente e orientabilità} \subsection{Piano tangente e compatibilità tra parametrizzazioni regolari diverse} \begin{definition}[Funzione di transizione] Siano $\vec{x}$, $\vec{y} : U, U' \to \RR^3$ due parametrizzazioni regolari per $P$ su una superficie $\Sigma$ aventi stessa immagine. Si definisce allora la \textbf{funzione di transizione} $f_{\vec{x}, \vec{y}} : U \to U'$ da $\vec{x}$ a $\vec{y}$ come: \[ \boxed{f_{\vec{x}, \vec{y}} \defeq \vec{y}\inv \circ \vec{x},} \] in modo tale che il seguente diagramma commuti: \[\begin{tikzcd} & \Sigma \\ \\ U && {U'} \arrow["{\vec{x}}"', from=3-1, to=1-2] \arrow["f_{\vec{x}, \vec{y}}", from=3-1, to=3-3] \arrow["{\vec{y}}", from=3-3, to=1-2] \end{tikzcd}\] \end{definition} \begin{proposition} Una funzione di transizione $f_{\vec{x}, \vec{y}}$ è un diffeomorfismo $C^\infty$. \end{proposition} \begin{proof} Dal momento che $\vec{x}$ e $\vec{y}$ sono diffeomorfismi $C^\infty$ per la Proposizione \ref{prop:parametrizzazione_è_cinf}, essendo $f$ composizione di variazioni di queste, anche $f$ lo è. \end{proof} \begin{proposition} \label{prop:stesso_piano_tangente_param_regolari} Siano $\vec{x}$ e $\vec{y}$ due parametrizzazioni regolari per $P$ su una superficie $\Sigma$. Allora vale: \[ \Span(\vec{x_u}(P), \vec{x_v}(P)) = \Span(\vec{y_u}(P), \vec{y_v}(P)). \] \end{proposition} \begin{proof} Possiamo assumere senza perdita di generalità che le immagini di $\vec{x}$ e $\vec{y}$ (basta prendere l'intersezione delle immagini). \smallskip Posto allora $f_{\vec{x}, \vec{y}}(s, t) = (u(s, t), v(s, t))$, vale $\vec{x}(s, t) = \vec{y}(u(s, t), v(s, t))$, e quindi: \[ \begin{cases} \vec{x_s}(P) = u_s(P) \cdot \vec{y_u}(P) + v_s(P) \cdot \vec{y_t}(P), \\ \vec{x_t}(P) = u_t(P) \cdot \vec{y_u}(P) + v_t(P) \cdot \vec{y_t}(P). \end{cases} \] Dal momento che $J f_{\vec{x}, \vec{y}}(P)$ ha rango $2$, allora il precedente sistema induce un cambio di base da $\{\vec{x_u}(P), \vec{x_v}(P)\}$ a $\{\vec{y_u}(P), \vec{y_v}(P)\}$, da cui la tesi. \end{proof} \begin{definition}[Piano tangente] Sia $\Sigma$ una superficie. Allora, se $P$ è un punto di $\Sigma$, si definisce il \textbf{piano tangente $T_P \Sigma$ di $P$ rispetto a $\Sigma$} come: \[ \boxed{T_P \Sigma \defeq \Span(\vec{x_u}(P), \vec{x_v}(P)),} \] dove $\vec{x}$ è una qualsiasi parametrizzazione regolare di $P$. \end{definition} \subsection{Versori normali e orientabilità} \begin{definition}[Versore normale su $\vec{x}$] Sia $\vec{x}$ una parametrizzazione regolare di un punto $P$ su una superficie $\Sigma$. Definiamo il \textbf{versore normale} $n_\vec{x}(P)$ come: \[ \boxed{n_\vec{x}(P) \defeq \frac{\vec{x_u} \times \vec{x_v}}{\norm{\vec{x_u} \times \vec{x_v}}}.} \] \end{definition} \begin{proposition} Due parametrizzazioni regolari $\vec{x}$, $\vec{y} : U, U' \to \Sigma$ con stessa immagine hanno stessa normale in ogni punto se e solo se la funzione di transizione ha in ogni punto jacobiano di determinante positivo. \end{proposition} \begin{proof} Segue dal sistema trovato nella dimostrazione della Proposizione \ref{prop:stesso_piano_tangente_param_regolari}. \end{proof} \begin{definition}[Parametrizzazioni regolari compatibili] Due parametrizzazioni regolari $\vec{x}$, $\vec{y} : U, U' \to \Sigma$ si dicono \textbf{compatibili} se l'intersezione delle immagini è vuota o se hanno stessa normale sull'intersezione delle immagini. \end{definition} \begin{definition}[Superficie orientabile] Una superficie $\Sigma$ si dice \textbf{orientabile} se è ricoperta da parametrizzazioni regolari a due a due compatibili. \end{definition} \begin{proposition} \label{prop:normale_continua} Una superficie $\Sigma$ è orientabile se e solo se esiste una funzione continua $\vec{n} : \Sigma \to \RR^3$ tale per cui $\vec{n}(P)$ sia unitario e perpendicolare a $T_P \Sigma$ per ogni punto $P$ di $\Sigma$. \end{proposition} %TODO: breve dimostrazione \begin{corollary} Ogni superficie $\Sigma$ di livello $\ell$ rispetto a $f$, per $f$ liscia e $\ell$ regolare, è orientabile. \end{corollary} \begin{proof} Il gradiente $\nicefrac{\nabla f}{\norm{\nabla f}}$ è un campo vettoriale unitario e ortogonale a $T_P \Sigma$ per ogni punto $P$. Si conclude per la Proposizione \ref{prop:normale_continua}. \end{proof} \begin{warn} Ogni superficie è localmente orientabile! \\[0.5em] È sufficiente prendere per ogni punto come ricoprimento la sua stessa parametrizzazione regolare. \end{warn} \end{multicols*}